JP7445520B2 - ガス発生装置 - Google Patents
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Description
このようなガス発生装置では、吸着剤が充填されたタンクを利用してガスを分離させる手法が用いられる。この場合、ガスの生成量を増加させるために、複数のタンクを利用し、タンク同士をマニホールドで連通させるものがある(たとえば、特許文献1)。
さらに、複数のタンクを同じ処理タイミングで動作させる場合、原料ガスの供給部やガスの回収手段までの流路長さの相違などにより、製品ガスの分離や排出、排気ガスの放出処理に要する時間がタンクごとに異なる場合がある。これにより、ガス発生装置では、全てのタンクの処理が完了するまで次の処理に移行させることができず、製品ガスの生成処理の遅延や、ガスの供給量の不安定化が発生する可能性があるという課題がある。
そのため、本発明の発明者は、原料ガスの供給、同じ処理タイミングで製品ガスを生成するタンク間で、処理やタンク内の状態を均等またはそれに近い状態に近づけることで、安定的な製品ガスの供給を実現するとともに、ガス発生装置の小型化が図れるとの知見を得た。
上記ガス発生装置において、一列に配列された前記吸着タンクと前記製品タンクを含む第1の吸着ユニットと、前記第1の吸着ユニットと同様の構成であり、前記第1の吸着ユニットに隣接して配置される第2の吸着ユニットとを備え、前記制御部は、前記第1の吸着ユニットと前記第2の吸着ユニットを異なるタイミングで製品ガスの生成処理を実行させてよい。
上記ガス発生装置において、隣接した前記第1の吸着ユニットの前記製品タンクと前記第2の吸着ユニットの前記製品タンクとを並列に接続させる製品ガス連通部と、前記製品ガス連通部に接続され、前記製品タンクから回収した製品ガスを排出側に流す製品ガス管路とを備えよい。
上記ガス発生装置において、さらに、前記吸着タンクおよび前記製品タンクを載置させる載置面が形成された台座部を備え、前記吸着タンクおよび前記製品タンクが前記載置面上にマトリクス状に配置されてよい。
(1) 径小な接続部を介して連通部に複数の吸着タンクが接続されることで、タンク間の給気、排気処理タイミングの均一化が図れる。
(2) 共通の吸着ユニット内のタンク同士の処理タイミングが均一化されることで、製品ガスの供給処理の安定化が図れる。
(3) 複数のタンクが連通部で並列に接続されることで、部品数の削減による低コスト化や組立てもしくはメンテナンスの作業性の向上が図れる。
(4) ガス発生装置の小型化、省スペース化が図れる。
図1は、一実施形態に係るガス発生装置2の構成例を示している。図1に示す構成は一例であり、本発明が斯かる構成に限定されない。
このガス発生装置2は、吸着剤が充填されたタンクの内部を所定圧力状態にし、このタンク内に充填されている吸着剤により原料空気Airから目的とする製品ガスSGを分離して取り出す、PSA式のガス分離機能を備える。ガス発生装置2は、分離した製品ガスSGを図示しないガス供給先に流すほか、不要なガスを排気ガスEGとして排出する。原料空気Airは、たとえば大気中の空気である。また製品ガスSGは、たとえば窒素や水素などであり、ガス供給先が要求するガス成分が原料空気Airから分離される。
ガス発生装置2には、たとえば図1に示すように、下部側に所定の高さの台座4を備えており、複数の吸着タンク8-1および製品タンク8-2が台座4の上面の載置面6上に載置されている。
吸着タンク8-1は、所定のガスを吸着させることで原料空気Airから目的のガス成分を分離させる手段であり、内部に吸着剤が充填されている。この吸着剤は、たとえば分子ふるい性能を有するカーボン(Carbon)材料、ゼオライト(Zeolite)などであって、粒状や膜状に形成されており、原料空気Airを接触させ、または通過させることで特定のガス成分を吸着する。ガス発生装置2では、PSA式ガス分離処理として、原料ガスに含まれる成分に対し、吸着させたいガス成分に応じた吸着剤が選択されるとともに、吸着タンク8-1内の圧力状態が設定される。この吸着剤は、たとえば原料ガスが空気であり、製品ガスSGとして窒素ガス(N)を取り出す場合、酸素(O2)を吸着可能な材料が用いられる。
また、吸着タンク8-1は、吸着したガスを不要な排気ガスEGとして、排気処理タイミングでタンクから排出する。
製品タンク8-2は、吸着タンク8-1で分離された製品ガスSGを貯留させ、常時または所定の要求タイミングでガス発生装置2からガス要求側に排出する。
なお、吸着タンク8-1および製品タンク8-2は、ガス発生装置2に要求されるガス供給量などに応じて、形状や寸法が設定されてもよい。
製品ガス排出管24は、たとえば図示しない製造装置やプラント設備の管路が接続されており、製品ガス貯留部12から製品ガス流動部15を通じて導かれた製品ガスSGをガス要求側に流す。
図2は、ガス発生装置2の前面側の配管構成例を示している。
このガス発生装置2では、たとえば図2に示すように、前後方向に1列に配置された3本の吸着タンク8-1と後部の1本の製品タンク8-2を組み合せて、吸着ユニット34A、34B、34C、34Dを構成している。これらの吸着ユニット34A、34B、34C、34Dは、製品ガスSGの生成処理の動作単位であり、ユニットごとに独立して製品ガスSGを生成する。ガス発生装置2は、たとえば吸着ユニット34A、34Cが本開示の第1の吸着ユニット、吸着ユニット34B、34Dが本開示の第2の吸着ユニットとし、隣接する吸着ユニットが異なるタイミングで吸着処理を行うように制御する。
さらにガス発生装置2の制御処理では、隣接する吸着ユニット34Aと吸着ユニット34Bをガス生成部Iとし、吸着ユニット34Cと吸着ユニット34Dをガス生成部IIとして組み合せ、これらのガス生成部のいずれか一方または両方を同時または所定のタイミングで組み合せて運転させる。
このように複数の吸着タンク8-1を組み合せた吸着ユニットごとにガス生成処理を行うことで、大型のタンクを用いることなく、製品ガスSGの生成容量を増大させることができる。
通気流路36A、36B、36C、36Dは、吸着ユニット34A、34B、34C、34Dごとに設けられた流路38に接続されている。この流路38は、一端側が台座4の内部に配置されており、通気流路36A、36B、36C、36Dを通じて供給される原料空気Airを吸着タンク8-1の底部側に導く。
またガス発生装置2は、排気管路40を備えている。この排気管路40は、吸着タンク8-1内で分離された排気ガスEGを図示しない排気部側に導く管路の一例である。排気管路40は、一端側が分岐管42を介して流路38に接続され、他端側が台座4の内部に形成された排出部に配置される。
この分岐管42は、流路38を通気流路36A、36B、36C、36Dと排気管路40とを接続させる手段の一例である。ガス発生装置2では、たとえば通気流路36A、36B、36C、36D上に開閉弁CV1もしくは開閉弁CV2を備えるとともに、排気管路40上に開閉弁CV3もしくは開閉弁CV4が設置されており、運転制御により開閉処理が設定されることで、流路38を通気流路36A、36B、36C、36Dまたは排気管路40への管路が切替えられる。つまり分岐管42および開閉弁CV1、CV2は、ガス発生装置2の工程ごとの制御指示により、原料空気Airの供給経路、または排気ガスEGの排出経路を切替える本開示の流路切替え手段の一例である。
そのほか、ガス発生装置2には、製品ガスSGの生成処理、排気ガスEGの排気処理、その他、ガス発生処理の制御を行う制御装置44を備える。この制御装置44は、コンピュータで構成されており、たとえばガス発生装置2の前面側に向けて運転状態、工程管理などの情報を表示するモニタや、ガス発生処理の制御指示を入力する操作ボタンなどを含む表示・操作部46を備える。
そのほか、ガス発生装置2は、ガス吸着部10および製品ガス貯留部12を構成する複数のタンク8同士を固定する手段として、横方向に隣接するタンクの蓋16同士を指示する連結指示部50(図3)を備えてもよい。この連結指示部50は、たとえば剛性のある金属材料で構成して強固に固定してもよく、または柔軟性のある樹脂材量などにより外部からの振動などを吸収可能な状態にしてもよい。
ガス吸着部10には、たとえば図3に示すように、吸着ユニット34A、34B、34C、34Dごとに複数の吸着タンク8-1が接続管48を介して連通管26に接続されており、分離した製品ガスSGが連通管26内に回収される。接続管48は、たとえば各吸着タンク8-1の蓋16にある通気部に接続された製品ガスSGの回収手段の一例であり、連通管26の内径よりも径小に形成されている。連通管26内に回収された製品ガスSGは、吸着タンク8-1の内部圧力などにより製品ガス回収管28を通じて製品タンク8-2に導かれる。
また製品ガス貯留部12では、吸着ユニット34A、34B、34C、34Dの各製品タンク8-2が接続された連通管30に製品ガスSGが回収され、製品ガス管32側に流されている。
図4、図5は、ガス吸着部およびガス管路側の構成例を示している。
台座4には、たとえば図4に示すように、内部に配管を配置させる管路収納部52があり、その一部に吸着ユニット34A、34B、34C、34Dごとに、複数の吸着タンク8-1を並列に接続する連通管54が設置されている。この連通管54は、一端側が台座4の内部に配置された流路38に接続されるとともに、他端側が所定の間隔を開けて接続管56を介して吸着タンク8-1と接続されている。つまり複数の吸着タンク8-1は、連通管54により流路38に対して並列に接続されている。
接続管56は、たとえば各吸着タンク8-1の蓋16にある通気部に接続されており、吸着タンク8-1と連通管54との間に径小な流路を形成する。
ガス発生装置2では、たとえば図6に示すように、ガス吸着部10で分離された製品ガスSGが各吸着タンク8-1の天井側から接続管48を通じて連通管26内に流入する。ガス発生装置2では、たとえば吸着処理において、製品ガス回収管28上に設置された開閉弁CV6(図2)を閉状態にすることで、吸着タンク8-1と連通管26とを密閉状態に維持させる。そして、吸着処理が完了し、製品ガスSGの回収処理のタイミングになると、開閉弁CV6を開状態にすることで、並列に接続した複数の吸着タンク8-1から同等のタイミングで製品ガスSGが連通管26内に流入し、製品ガス回収管28を通じて製品ガス貯留部12側に流される。
図7は、ガス吸着部10の内部構成例を示している。
このガス吸着部10の吸着タンク8-1は、たとえば図7に示すように、底部側と上部側が連通管26、54に対して並列状態で接続されている。
原料空気Airの供給または排気ガスEGの排出処理に利用する連通管54は、たとえば内径D1が図示しない流路38と同等の大きさで形成されており、原料空気Airの供給元で付加された供給圧力により処理の流量Q0で原料空気Airが流入可能となっている。連通管54は、流路38から流入する原料空気Airの分流手段であることから、流路38との接続側から連通管54の端部側に向けて微小な圧力損失はあるが、接続される各吸着タンク8-1に対する圧力は略同等である。
これにより、ガス吸着部10では、一部のタンク内に集中的に原料空気Airを流入させず、各吸着タンク8-1に対する原料空気Airの流量Qu1、Qu2、Qu3が略同等に調整される。
連通管26は、複数の吸着タンク8-1から流入する製品ガスSGの合流手段であり、タンクごとに排出側までの距離の相違による微小な圧力損失はあるが、接続される各吸着タンク8-1から受ける圧力は略同等である。
これにより、ガス吸着部10では、一部のタンクから集中的に製品ガスSGを連通管26側に流出させず、製品ガスSGの流量Qe1、Qe2、Qe3が略同等に調整される。
図8は、製品ガス貯留部12の内部構成例を示している。
この製品ガス貯留部12の製品タンク8-2は、たとえば図8に示すように、上部側が連通管30に対して並列状態で接続されている。この連通管30は、端部が製品ガス管32に接続されており、所定の間隔を開けて接続管58を介して製品タンク8-2と接続されている。つまり製品タンク8-2は、連通管30により製品ガス管32に対して並列に接続されている。
この接続管58の内径は、連通管30の内径よりも径小に形成されており、既述のように接続管58内に製品ガスSGを流すとき、連通管30と製品タンク8-2との間の流路に形成されたオリフィスとなっている。製品ガスSGの排出処理では、たとえばガス吸着部10側から付加される圧力、または図示しない製品ガスSG排出手段や製品ガスSGの要求負荷側からの負圧により、各製品タンク8-2から略均等に連通管30側に製品ガスSGが排出される。
図9は、制御部の構成例を示している。
この制御部60は、たとえばガス発生装置2の筐体内部に収納される制御装置44を構成する制御基板やシーケンサなどのPLC(Programmable Logic Controller)であって、コンピュータで形成される。また制御部60は、筐体外部に配置されたPC(Personal Computer)などを利用してもよい。制御部60は、たとえばプロセッサ(Processor)62、メモリ64、タイマ66、表示部68、I/O(Input/Output)70等が含まれる。
メモリ64は、記憶手段の一例であり、OSや各種プログラムを格納するROM(Read Only Memory)などの記憶領域や、プロセッサ62によるプログラムの演算処理を実行させるためのRAM(Random Access Memory)などの処理領域が含まれる。
タイマ66は、製品ガスSGを生成するための吸着・再生工程、均圧工程などの処理時間を計時する手段の一例であり、ハードウェアとしてのタイマのほか、プログラムの実行により計時するソフトウェアタイマであってもよい。
表示部68は、ガス発生装置2の動作状態や設定などを表示する手段の一例であり、既述の表示・操作部46を構成する。
I/O70は、制御部60の外部インターフェースの一例であり、信号ケーブル用のコネクタや無線通信を利用する場合の送受信コネクタを備えてもよく、制御対象である開閉弁CV1、CV2、・・・CV7や圧力計などの計測部72と接続される。
図10は、ガス発生装置2の全体の機能構成例を示しており、図11は、ガス生成部I、ガス生成部IIの機能構成例を示している。図10、図11に示す構成は一例である。
このガス発生装置2は、たとえば図10に示すように、取込んだ原料空気Airが給気管路22を通じて取込まれる。この給気管路22には、たとえば圧力計PG1により管内の状態が監視されればよく、この監視結果が制御部60や図示しない計装ラインに通知されればよい。制御部60では、これらの監視結果、および動作制御プログラムによって各開閉弁CV1、CV2・・・CV7などに対して開閉指示を出力すればよい。
ガス発生装置2は、たとえば制御部60からの動作指示にしたがって、ガス生成部I、ガス生成部IIの運転制御が行われており、これらのいずれか一方または両方の運転によって生成された製品ガスSGが連通管30を介し、製品ガス管32を通じて排出側に流される。この製品ガス管32には、たとえば製品ガスSGの状態監視手段として、圧力計PG4、PG5、PS2、流量計DFM1などを備えてもよい。これらの監視結果は、制御部60側に通知され、表示部68に表示されるほか、ガス発生処理の制御情報として利用される。
ここでは、ガス生成工程の一例を示す。
ガス生成部Iでは、吸着ユニット34A、34Bを異なる工程で動作させて連続的に製品ガスSGの生成処理を行っている。またガス生成部IIでも同様に、吸着ユニット34C、34Dを組み合せて動作させている。ここでは、ガス生成部Iにおける工程処理を示す。
吸着ユニット34A側の3つの吸着タンク8-1をそれぞれAT1-A、AT1-B、AT1-Cとし、吸着ユニット34B側の3つの吸着タンク8-1をそれぞれAT2-A、AT2-B、AT2-Cとする。
斯かる構成によれば、以下のような効果が得られる。
(1) 径小な接続部を介して連通部に複数の吸着タンクが接続されることで、タンク間のガスの流入や排出の流量が均等化できる。
(2) 吸着ユニット内の吸着タンク8-1同士の処理タイミングが均一化されることで、製品ガスSGの供給処理の安定化が図れる。
(3) 複数のタンクが連通部で並列に接続されることで、部品数の削減による低コスト化や組立てもしくはメンテナンスの作業性の向上が図れる。
(4) ガス発生装置2の小型化、省スペース化が図れる。
(5) 共通の連通管を利用して、吸着タンク8-1に対する原料空気Airの供給と排気ガスEGの排出処理を行うことで、省スペース化や部品数の削減などが実現できる。
(6) 複数のタンクを連通管により連携させることで、大型のタンクを利用せずに所望の流量のガス生成処理が実現できる。
(7) 複数のタンクを組み合せた吸着ユニットを運転制御により切替えることで、製品ガスSGの供給調整が可能となり、大小のガス需要に対して幅広く対応することができる。
(8) 小容量で同形状のタンク8をマトリクス状に配置列し、隣り合うタンク同士を連結させることで、ガス発生装置2内部に無駄なスペースを形成させず、装置の小型化が図れる。
(変形例)
複数のタンク8が接続される連通管26、30、54の中央側に管路や製品ガス管路を接続してもよい。この場合、たとえば、複数のタンク8が接続された連通管26、30、54の流れ方向に対して、左右方向に同数またはそれに近い数にタンク8を区分して管路を接続すればよい。これにより、連通管26、30、54を介して管路とタンク8との間でガスを流す場合、その接続位置から各タンクまでの流路差を小さくすることができ、ガスに対する圧力損失の発生を低減できる。
斯かる構成により、吸着ユニット34A、34B、34C、34D間で製品ガスSGの生成流量が異ならせることができる。
4 台座
6 載置面
8 タンク
8-1 吸着タンク
8-2 製品タンク
10 ガス吸着部
12 製品ガス貯留部
14 ガス供給・排気部
15 製品ガス流動部
16 蓋
18 支持軸
20 固定部材
22 給気管路
24 製品ガス排出管
26、30、54 連通管
28 製品ガス回収管
32 製品ガス管
34A、34B、34C、34D 吸着ユニット
36A、36B、36C、36D 通気流路
38 流路
40 排気管路
42 分岐管
44 制御装置
46 表示・操作パネル
48、56、58 接続管
50 連結支持部
52 管路収納部
60 制御部
62 プロセッサ
64 メモリ
66 タイマ
68 表示部
70 I/O
72 計測部
74 排気部
Claims (5)
- 原料ガスを取込む原料ガス供給管路と、
同じ処理タイミングで前記原料ガスから製品ガスの生成処理を行う複数の吸着タンクと、
前記製品ガスを貯める製品タンクと、
複数の前記吸着タンクが並列に接続され、少なくとも共通の流路を通じて前記吸着タンクに対して原料ガスの供給と前記吸着タンク内の排気ガスを排出に利用する第1の連通管を含む連通部と、
前記連通部と前記吸着タンクとの間に介在し、前記連通部と前記吸着タンクとを繋ぐ流路の少なくとも一部に前記連通部の内径よりも径小なオリフィスを備える接続部と、
前記吸着タンクで発生した排気ガスを排気側に流す排気管路と、
一端が前記第1の連通管に接続される第1の管路と、
前記原料ガス供給管路と前記第1の管路と前記排気管路に接続され、切替え指示により、前記第1の管路に対して前記原料ガス供給管路または前記排気管路のいずれかに流路を切替える流路切替え手段と、
前記流路切替え手段に対して前記切替え指示を出力して、製品ガスの吸着工程のタイミングで前記原料ガスの取り込みを実行させ、前記吸着タンクからの排気工程のタイミングで前記吸着タンク内の排気ガスを前記第1の連通管および前記第1の管路を通じて前記排気管路に導く制御部と、
を備え、前記連通部に接続した複数の前記吸着タンクと前記製品タンクが一列に配置されることを特徴とするガス発生装置。 - 前記連通部は、前記吸着タンクの一端側に接続され、生成された製品ガスを回収して前記製品タンクに流す第2の連通管を含み、
一端が前記第2の連通管、他端が製品ガス供給管路に接続される第2の管路と、
前記第2の管路に設置され、前記吸着タンクから前記製品タンクへの製品ガスの流入を規制する規制手段と、
を備え、
前記制御部は、前記吸着タンクから製品ガスの取り出し工程の実行タイミングで前記規制手段に対する開閉指示を出力する、請求項1に記載のガス発生装置。 - 一列に配列された前記吸着タンクと前記製品タンクを含む第1の吸着ユニットと、
前記第1の吸着ユニットと同様の構成であり、前記第1の吸着ユニットに隣接して配置される第2の吸着ユニットと、
を備え、
前記制御部は、前記第1の吸着ユニットと前記第2の吸着ユニットを異なるタイミングで製品ガスの生成処理を実行させることを特徴とする請求項1または2に記載のガス発生装置。 - 隣接した前記第1の吸着ユニットの前記製品タンクと前記第2の吸着ユニットの前記製品タンクとを並列に接続させる製品ガス連通部と、
前記製品ガス連通部に接続され、前記製品タンクから回収した製品ガスを排出側に流す製品ガス管路と、
を備えることを特徴とする請求項3に記載のガス発生装置。 - さらに、前記吸着タンクおよび前記製品タンクを載置させる載置面が形成された台座部を備え、
前記吸着タンクおよび前記製品タンクが前記載置面上にマトリクス状に配置されることを特徴とする請求項1ないし請求項4に記載のガス発生装置。
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